Атомная и электронная структура систем Zr-He и Zr-He-H : первопринципные исследования

• Автор: Лопатина, Оксана Валерьевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Взаимодействие Н и Не с металлами: состояние вопроса
Глава 2. Методы расчета зонной структуры кристаллов
2.1 Метод присоединенных плоских волн (ППВ)
2.2 Линейный метод ППВ
2.3 Концепция полнопотенциального метода ППВ
2-4 Другие методы расчета зонной структуры
2.5 Метод функционала электронной плотности
2.6 Определение полной энергии
2.7 Параметры расчета
Глава 3. Влияние гелия и водорода на атомную структуру Zr
3.1 Атомная структура чистого циркония
3.1.1 Система Zr-vac
3.2 Атомная структура систем Zr-He, Zr-He-vac, Хг-Н
3.2.1 Системы 2г-Не, Zr-He-vac (6 ат.%)
3.2.2 Системы Хг-Не, Хг-Н (33.3 ат.%)
3.3 Энергия растворения гелия и водорода
3.3.1 Системы Zr-He, Zr-He-vac (6 ат.%)
3.3.2 Система Zr-He-H (по 6 ат.%)
3.3.3 Системы гг-Не, гг-Н (33.3 ат.%)
3.4 Избыточный объем
3.4.1 Системы 7х—Не, Ъг-\ъ-уас (6 ат.%)
3.4.2 Система Хг-Не-Н (6 ат.%)
3.4.3 Системы гг-Не, гг-Н (33.3 ат.%)
Глава 4. Влияние гелия и водорода на электронную структуру Zr
4.1 Плотность электронных состояний
4.1.1 Системы Zr-Hc, гг-Не-Н (6 ат.%)
4.1.2 Системы Zr-He, Zr-H (33.3 ат.%)
4.2 Дисперсия электронных состояний систем Zr-He, Zr-H
4.3 Валентная зарядовая плотность
4.3.1 Системы Zr-Hc, Zr-He-H (6 ат.%)
4.3.2 Системы Zr-Hе, 2г-Н (33.3 ат.%)
4.4 Остовные сдвиги
Заключение
Список литературы
Введение
Цирконий и сплавы на его основе широко используются в качестве конструкционных материалов для активных зон водо-водяных ядерных реакторов. Это объясняется низким сечением захвата тепловых нейтронов, хорошими прочностными характеристиками и высокой коррозионной стойкостью этих материалов. Теплоносителем в таких реакторах является вода. В процессе эксплуатации реакторов под действием радиации происходит радиолиз воды, выделяется атомарный водород, который активно аккумулируется в конструкционных материалах.
Дополнительно, примесные атомы водорода и гелия накапливаются в материалах в результате (п,р) и (и, а) ядерных реакций. Накапливаясь, атомы гелия и водорода создают в приповерхностной области металла твердый раствор с высокой концентрацией примеси. Это может быть причиной концентрационного полиморфизма циркония. Кроме того, атомы гелия и изотопы водорода внедряются в материал первой стенки термоядерного реактора посредством излучения из плазмы, а также за счет поглощения трития, который является радиоактивным изотопом водорода и с периодом полураспада 12.26 лет превращается в изотоп гелия.
Накопление водорода приводит к понижению пластичности и повышению хрупкости сплавов. Степень охрупчивания изделий зависит от количества поглощенного водорода и его состояния в структуре циркониевых сплавов: в виде твердого раствора или гидрида. Выделение хрупких гидридов становится причиной разрушения изделий.
Проникая в конструкционные материалы ядерных и термоядерных реакторов, примесные атомы водорода и гелия первоначально находятся в междоузельной области. Накапливаясь в материале атомы гелия, из-за низкой растворимости, захватываются дефектами кристаллической решетки, со-

r„e <=ZbJnB,k-g)_
■де к /—(8 1 га/ - псевдоволновая, гладкая во всем пространстве
функция.
Подставив (2.17) в уравнение Шредингера (2.1), после перегруппировки членов получаем уравнение для определения Фрь :
П -А<-^^А + У(г)|Р<3 + У(г)<5+гР<5=^ (2.18) Учитывая, что:
2m ^ 2т j
ч-£а+¥(г)р-?*К>(*.|.
уравнение (2.18) представим в виде
+ v„ ('Ж’

где X» + fc)| ¥,)( ^с|- псевдопотенциал. Как следует из опре-

деления vps, псевдопотенциал в общем случае является нелокальным оператором, зависящим от искомой энергии электрона ^nk в кристалле. Поскольку уровни валентных электронов в большинстве случаев расположены выше уровней остова, то второе слагаемое в выражении Vps) как правило, положительно, что приводит к частичной компенсации истинного потенциала V(r). Поэтому псевдопотенциал достаточно слаб, и для расчета псевдоволновой

функции yv. можно использовать приближение почти свободных электронов. Важно отметить, что истинной волновой функции 'К k и псевдоволновой
функции (Рк отвечает одно и то же собственное значение энергии валентных электронов, хотя они и отличаются друг от друга в области кора. Истинную